CN102036146A - 振动膜及应用该振动膜的扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动膜，包括：多个碳纳米管线，该多个碳纳米管线相互交叉编织成具有一面状结构的振动膜。本发明还涉及一应用该振动膜的扬声器。

Description

振动膜及应用该振动膜的扬声器

技术领域

本发明涉及一种振动膜及应用该振动膜的扬声器，尤其涉及一种基于碳纳米管的振动膜及应用该振动膜的扬声器。

背景技术

扬声器是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。具体地，扬声器能将一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。按照扬声器的工作原理，现有的扬声器可分为电动式、压电式以及静电式扬声器等。其中电动式扬声器结构简单、音质优秀且成本低，因此应用最为广泛。

现有技术中的电动式扬声器通常包括振动膜、音圈骨架、音圈、定心支片、磁铁以及外壳等几个部分。扬声器在工作时，通入音频电信号的音圈在磁场中受到力的作用，从而带动振动膜做机械振动并发出声音。

在评价扬声器的优劣时，扬声器的音量是决定性因素之一。扬声器的音量与输入功率及电声转换效率有关。当输入功率越大，电声转换效率越高，扬声器发出的音量越大。然而，当输入功率增大时，振动膜易发生变形甚至破裂，从而使发出的声音产生失真。因此，振动膜的强度和杨氏模量是决定其额定功率的决定因素。额定功率即不使扬声器产生失真的输入功率。另外，单位面积振动膜的质量越轻，则使振动膜产生振动所消耗的能量越小，扬声器的电声转换效率越高，进而相同输入功率产生的音量越大。

综上所述，振动膜的强度以及杨氏模量越大，密度越小，则扬声器的音量越大。

然而，现有技术中，振动膜材料为聚合物、金属、陶瓷或纸，聚合物及纸的强度及弹性模量仍然较低，金属及陶瓷的质量较大，从而使现有的扬声器的额定功率较低。一般的微型扬声器的输入功率仅为0.3～0.5W。另一方面，采用现有材料制得的振动膜，其密度较大，使扬声器的电声转换效率无法进一步提高。因此，为提高扬声器的额定功率及电声转换效率，进而提高扬声器的音量，目前对现有的电动式扬声器的改进重点在提高振动膜的强度及杨氏模量，以及减小振动膜的密度，即提高振动膜的比强度(即强度/密度)及比模量(即模量/密度)。

碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料，具有较轻的质量且沿轴向具有高的强度。由于碳纳米管优良的力学性质，将碳纳米管作为增强材料应用至扬声器领域日益引起人们的关注。卞基满等人于2008年10月15日公开的中国专利申请第CN101288336A号中公开了一种扬声器振动膜，其通过表面活性剂、硬脂酸或脂肪酸将碳纳米管粉末分散于振膜的基体材料中，从而增强振动膜的整体强度。然而，该碳纳米管的形态为粉末状，由于碳纳米管具有极大的比表面积，粉末状的碳纳米管在基体材料中极易团聚，使得加入碳纳米管的比例越大，分散越困难，从而获得的振膜的强度仍然不够高。进一步地，在基体材料中分散该碳纳米管粉末需要涉及大量表面活性剂、化学添加剂以及复杂的化学反应工艺过程，从而向该振动膜中引入杂质，且不利于环保。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种强度及杨氏模量较高的振动膜以及应用该振动膜的扬声器。

一种振动膜，包括：多个碳纳米管线状结构，该多个碳纳米管线状结构相互交叉编织形成一面状结构振动膜。

一种振动膜由多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织形成，所述碳纳米管复合线状结构包括至少一碳纳米管线状结构以及包覆在所述碳纳米管线状结构外表面的增强材料层。

一种振动膜，包括：多个线状增强体与多个碳纳米管复合线状结构，该多个线状增强体与多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织成一面状的振动膜。

一种振动膜，其特征在于，所述振动膜包括多个碳纳米管线状结构、多个线状增强体及多个碳纳米管复合线状结构，该多个碳纳米管线状结构、多个线状增强体及多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织形成一面状的振动膜。

一种扬声器，包括：一音圈骨架；一音圈，该音圈缠绕在所述音圈骨架一端的外围；一振动膜，该振动膜与所述音圈骨架相连接；以及一磁场系统，该磁场系统具有一磁场间隙，所述音圈设置在该磁场间隙中。

与现有技术相比较，所述的振动膜采用多个碳纳米管线状结构相互结合形成。由于该碳纳米管线状结构具有较高的强度、以及较小的密度。从而使得采用多个碳纳米管线的振动膜具有强度较大，杨氏模量较高的优点。

附图说明

图1为本发明第一实施例的振动膜的结构示意图。

图2为本发明第一实施例束状结构的碳纳米管线状结构的结构示意图。

图3为本发明第一实施例绞线状结构的碳纳米管线状结构的结构示意图。

图4为本发明第一实施例的振动膜中的束状的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图5为本发明第一实施例的振动膜中的绞线状的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图6为本发明第二实施例的包覆有增强材料层的碳纳米管线的振动膜的结构示意图。

图7为本发明第二实施例的包覆有增强材料层的碳纳米管线的结构示意图。

图8为本发明第三实施例的包括线状增强体和碳纳米管线状结构的振动膜的结构示意图。

图9为本发明第四实施例的包括线状增强体和碳纳米管复合线状结构的振动膜的结构示意图。

图10为本发明第五实施例的包括碳纳米管线状结构、线状增强体和碳纳米管复合线状结构的振动膜的结构示意图。

图11为本发明实施例的扬声器的结构示意图。

图12为沿图11中扬声器轴线的剖视示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明提供的振动膜及应用该振动膜的扬声器。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一振动膜10，其包括多个碳纳米管线状结构12，该多个碳纳米管线状结构12相互交叉并编织形成一面状结构振动膜10。所述碳纳米管线状结构12的编织方式不限。具体地，所述多个碳纳米管线状结构12平行、并排、交叉或缠绕设置。图1所示的结构为多个平行的碳纳米管线状结构12与另外多个相互平行的碳纳米管线状结构12相互交叉排列设置。通过上述方式，多个碳纳米管线状结构12可以紧密地相互编织在一起，形成一个面状的振动膜10。

该振动膜10为一自支撑结构。所谓“自支撑结构”即该振动膜10无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑的振动膜10包括多个碳纳米管线状结构12，该多个碳纳米管线状结构12相互交叉编织在一起，从而形成一致密的平面结构，并使该平面结构具有特定的形状。由于该振动膜10具有自支撑性，在不通过支撑体表面支撑时仍可保持固定的形状。在此需要说明的是，在其他实施例中，也可根据实际使用状况将振动膜10设置在一支撑体上以提升振动膜10的强度。该支撑体可以为一面状的振动膜，现有技术中的各种振动膜均可以作为支撑体。

请参阅图2及图3，所述碳纳米管线状结构12包括至少一根碳纳米管线121。或者所述碳纳米管线状结构12包括多个碳纳米管线121并排设置成束状结构或多个碳纳米管线121扭转设置成绞线结构。当所述碳纳米管线状结构12包括多根碳纳米管线121时，该多根碳纳米管线121可沿该碳纳米管线状结构12的长度方向平行且紧密排列或相互扭转呈螺旋状紧密排列。所述碳纳米管线121包括多个碳纳米管。所述碳纳米管线121包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，该多个碳纳米管基本沿碳纳米管线121的轴向有序排列。该碳纳米管可包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管线121可以为非扭转的碳纳米管线(如图4所示)或扭转的碳纳米管线(如图5所示)。

请参阅图4，所述非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。非扭转的碳纳米管线中多个碳纳米管的轴向基本平行于该碳纳米管线的轴向，非扭转的碳纳米管线可通过将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。所谓碳纳米管拉膜即为从碳纳米管阵列中直接拉取获得的一种具有自支撑性的碳纳米管膜。具体地，该碳纳米管拉膜包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米-1毫米。优选地，该非扭转的碳纳米管线的直径为0.5纳米-50微米，当该非扭转的碳纳米管线的直径在此范围时，采用该碳纳米管线编织的振动膜10具有较低的透气率，从而具有较好的发声效果。具体地，可将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

请参阅图5，所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管，即该多个碳纳米管的轴向沿碳纳米管线的轴向螺旋延伸。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米-100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的直径及比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利，以及于2005年12月16日申请的第CN1982209A号中国公开专利申请。

所述振动膜10由多个碳纳米管线状结构12相互交叉编织而成。碳纳米管线状结构12包括至少一个碳纳米管线，碳纳米管线包括多个碳纳米管。由于碳纳米管具有非常小的密度以及较高的样式模量，使得碳纳米管线也具有较小的密度和较高的杨氏模量，从而本实施例中的振动膜10也具有较小的密度和较高的杨氏模量。

请参阅图6，本发明第二实施例进一步提供一种振动膜20，该振动膜20包括多个碳纳米管复合线状结构22，该多个碳纳米管复合线状结构22相互交叉并编织形成一面状结构振动膜10。所述碳纳米管复合线状结构22的编织方式不限。具体地，所述多个碳纳米管复合线状结构22平行、并排、交叉或缠绕设置。图6所示的结构为多个平行的碳纳米管复合线状结构22与另外多个相互平行的碳纳米管复合线状结构22相互交叉排列设置。通过上述方式，多个碳纳米管复合线状结构22可以紧密地相互编织在一起，形成一个面状的振动膜20。

本实施例的振动膜20的结构与第一实施例的振动膜10的结构类似，该多个碳纳米管复合线状结构22的编织方式同第一实施例中碳纳米管线状结构12的编织方式相同，区别在于，振动膜20由多个碳纳米管复合线状结构22相互交叉编织而成。

请参阅图7，本发明第二实施例中的碳纳米管复合线状结构22包括至少一碳纳米管线状结构12以及包覆在该碳纳米管线状结构12外表面的增强材料层24。

所述增强材料层24材料可以为聚合物、金属、金刚石、碳化硼及陶瓷中的一种或多种。所述聚合物可以为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙酯(PET)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)或聚醚砜(PES)。所述金属可以为铁、钴、镍、钯、钛、铜、银、金及铂中的一种或多种。所述碳纳米管复合线状结构22可通过将碳纳米管线状结构12放置于一真空腔中，通过物理气相沉积、化学气相沉积、蒸镀或溅射的方法在碳纳米管线状结构12表面均沉积形成增强材料层24。另外，由于碳纳米管导电，因此，可通过电镀或化学镀的方式在该碳纳米管线状结构12形成金属材料构成的增强材料层24。另外，可通过多次重复上述步骤，在碳纳米管线状结构12表面形成多个同心的增强材料层24，当形成多个同心的增强材料层24时，获得的碳纳米管复合线状结构22具有更好的强度。该增强材料层24的厚度可以为0.5纳米～5000纳米。

可以理解，本实施例中的振动膜20还可以进一步包括多个碳纳米管线状结构12，该多个碳纳米管线状结构12与所述多个多个碳纳米管复合线状结构22相互交叉构成一振动膜20。

本实施例中，由于振动膜20由多个碳纳米管复合线状结构22相互交叉编织形成。该碳纳米管复合线状结构22表面具有增强材料层24。该增强材料层24提高了碳纳米管复合线状结构22的强度，从而使得振动膜20具有较高的强度。采用碳纳米管复合线状结构22编织形成的振动膜20，当碳纳米管复合线状结构22的增强材料层24材料为聚合物时，该振动膜20具有较好的防水性能。

请参阅图8，本发明第三实施例提供一种振动膜30。该振动膜30包括多个碳纳米管线状结构12以及多个线状增强体32。图8所示的结构为多个相互平行排列的线状增强体32与多个相互平行排列的碳纳米管线状结构12相互垂直交叉编织形成的振动膜30。

本实施例的振动膜30的结构与第一实施例的振动膜10的结构类似，区别在于，振动膜30由多个碳纳米管线状结构12以及多个线状增强体32相互交叉编织而成。

该线状增强体32可以包括棉线、聚合物纤维纺成的线、聚合物丝及金属丝中的一种或多种。采用线状增强体32可以提高振动膜30的韧性，使得振动膜具有较好的韧性。通过加入线状增强体32，可以根据实际需要调节振动膜30的杨氏模量，以便更好的应用。本实施例中，该线状增强体32为棉线。棉线的价格较低，采用棉线作为线状增强体可以降低该振动膜30的成本。

可以理解，本实施例中所述多个线状增强体32及多个碳纳米管线状结构12之间的编织方式不应局限于图8所示的结构。所述多个线状增强体32还可以与所述多个碳纳米管线状结构12相互平行且交替排列、相互交叉排列或相互编织形成一面状的振动膜30。

请参阅图9，本发明第四实施例提供一种振动膜40。该振动膜40包括多个碳纳米管复合线状结构22以及多个线状增强体32。该多个碳纳米管复合线状结构22与多个线状增强体32相互垂直且交替相互编织形成一面状的振动膜40。采用线状增强体32可以提高振动膜40的韧性，使得振动膜40具有较好的韧性。通过加入线状增强体，还可以根据实际需要调节振动膜40的杨氏模量，以便更好的应用。

本实施例的振动膜40的结构与第一实施例的振动膜10的结构类似，区别在于，振动膜40由多个碳纳米管复合线状结构22以及多个线状增强体32相互交叉编织而成。

请参阅图10，本发明第五实施例提供一种振动膜50。该振动膜50包括多个碳纳米管线状结构12、多个碳纳米管复合线状结构22以及多个线状增强体32。该多个碳纳米管线状结构12、多个碳纳米管复合线状结构22相互平行并且与多个线状增强体32相互交叉编织形成一面状的振动膜40。该振动膜50由多个碳纳米管线状结构12、多个碳纳米管复合线状结构22及多个线状增强体32编织而成，由于碳纳米管具有较轻的质量和较高的强度，使得该振动膜50具有较高的强度。采用碳纳米管线状结构12、碳纳米管复合线状结构22及线状增强体32共同编织形成振动膜50，更有利于调节该振动膜50的强度、韧性，从而更加有利于实际应用。

本实施例的振动膜50的结构与第一实施例的振动膜10的结构类似，区别在于，振动膜40由多个碳纳米管线状结构12、多个碳纳米管复合线状结构22以及多个线状增强体32相互交叉编织而成。

可以理解，虽然上述各实施例图示(如图1，6及8～10)中的振动膜均为矩形结构，但实际应用时可根据具体需要将该振动膜切割成圆形，椭圆形或其他形状，以适用于不同扬声器。因此，上述实施例的振动膜的形状均不限。另外，还可将振动膜表面涂胶，可实现振动膜不透气。

请参阅图11及图12，本发明实施例进一步提供一应用上述第一至第五实施例振动膜的扬声器400。该扬声器400包括一支架402、一磁路系统404、一音圈406、一音圈骨架408、一振动膜410以及一定心支片412。

所述支架402固定于所述磁路系统404。所述音圈406设置在靠近所述音圈骨架408一端的外表面，且收容于所述磁路系统404。所述振动膜410或定心支片412的一端固定于所述支架402，另一端固定在音圈骨架408上。

所述支架402可为一锥体结构，其具有一中心孔414用于套设所述磁路系统404，使该支架402与磁路系统404相对固定。

所述磁路系统404包括一导磁下板416、一导磁上板418、一磁体420及一导磁芯柱422，所述磁体420相对的两端分别由同心设置的导磁下板416及导磁上板418所夹持。所述导磁上板418及磁体420均为环状结构，所述导磁上板418及磁体420在所述磁路系统中围成一柱形空间。所述导磁芯柱422容置于所述柱形空间，其自所述导磁下板416往导磁上板418延伸而出且与所述磁体420形成一环形磁场间隙424用于容置所述音圈406。所述磁路系统404靠近所述导磁上板418的一端套设并固定于所述中心孔414。

所述设置在音圈骨架408上的音圈406容置于所述磁场间隙424中，其为扬声器400的驱动单元，该音圈406为较细的导线在所述音圈骨架408上绕制而形成，优选地，所述导线可为漆包线。当所述音圈406接收到音频电信号时，该音圈406产生随音频电信号的强度变化而变化的磁场，此变化的磁场与磁场间隙424中的由磁路系统404产生的磁场之间发生相互作用，迫使该音圈406产生振动。

所述音圈骨架408为中空柱形结构，其与所述导磁芯柱422同心设置且间隔套设在所述导磁芯柱422上。所述音圈骨架408可收容于所述磁场间隙424中。该音圈骨架408的外表面与所述音圈406固接，且其远离所述磁路系统404的一端固结在所述振动膜410的中心位置，从而当所述音圈骨架408随音圈406振动时，带动所述振动膜410振动，从而使所述振动膜410周围的空气运动，产生声波。

所述振动膜410为所述扬声器400的发声单元。该振动膜410的形状不限，与其具体应用有关，如当所述振动膜410应用于大型扬声器400时，该振动膜410可为一空心圆锥体结构；当所述振动膜410应用于微型扬声器400时，该振动膜410可为一圆片状结构或方片状结构。所述振动膜410的顶端与所述音圈骨架408通过粘结的方式固结，其另一端的外缘与所述支架402活动连接。本实施例中，该振动膜410为一空心圆锥体结构。该振动膜410为上述第一实施例至第五实施例中振动膜中的任意一种。

所述定心支片412为一波浪形环状结构，其由多个同心圆环组成。该定心支片412的内缘套设在所述音圈骨架408上，用于支持所述音圈骨架408，该定心支片412的外缘固定在所述定心支架402靠近所述中心孔414的一端。该定心支片412具有大的径向刚性和小的轴向刚性，从而使所述音圈406在所述磁场空隙424中自由地上下移动而不做横向移动，避免该音圈406与磁路系统404碰触。

可以理解，所述扬声器400并不限于上述结构，任何应用本发明提供的振动膜的扬声器400均在本发明保护范围内。

由于碳纳米管具有优异的机械强度及杨氏模量及较小的密度，采用碳纳米管形成的振动膜具有较好的比强度及比模量。所述的振动膜由于包括碳纳米管线状结构相互交叉编织而成，且碳纳米管在碳纳米线状管结构中均匀分布，碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米线状管结构的强度及杨氏模量较大。碳纳米管线状结构可根据需要设置于振动膜内部任意位置，使振动膜的设计更为灵活，适应不同扬声器的需要。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种振动膜，其特征在于，所述振动膜包括多个碳纳米管线状结构，该多个碳纳米管线状结构相互交叉编织形成一面状的振动膜。

2.如权利要求1所述的振动膜，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括一碳纳米管线、多个碳纳米管线并排设置成束状结构或多个碳纳米管线扭转设置成绞线结构。

3.如权利要求2所述的振动膜，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，该多个碳纳米管基本沿碳纳米管线的轴向有序排列。

4.如权利要求3所述的振动膜，其特征在于，所述碳纳米管线中多个碳纳米管的轴向基本平行于该碳纳米管线的轴向或沿碳纳米管线的轴向螺旋延伸。

5.一种振动膜，其特征在于，所述振动膜包括多个线状增强体与多个碳纳米管线状结构相互交叉编织成一面状的振动膜。

6.如权利要求5所述的振动膜，其特征在于，所述线状增强体包括棉线、聚合物纤维纺成的线、聚合物丝及金属丝中的一种或多种。

7.一种振动膜，其特征在于，所述振动膜由多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织形成，所述碳纳米管复合线状结构包括至少一碳纳米管线状结构以及包覆在所述碳纳米管线状结构外表面的增强材料层。

8.如权利要求7所述的振动膜，其特征在于，所述增强材料为聚合物、金属、金刚石、碳化硼及陶瓷中的一种或多种。

9.一种振动膜，其特征在于，所述振动膜包括多个线状增强体与多个碳纳米管复合线状结构，该多个线状增强体与多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织成一面状的振动膜。

10.一种振动膜，其特征在于，所述振动膜包括多个碳纳米管线状结构、多个线状增强体及多个碳纳米管复合线状结构，该多个碳纳米管线状结构、多个线状增强体及多个碳纳米管复合线状结构相互交叉编织形成一面状的振动膜。

11.一种应用如权利要求1至10中任一项所述的振动膜的扬声器，包括：

一音圈骨架；

一音圈，该音圈缠绕在所述音圈骨架一端的外围；

一振动膜，该振动膜与所述音圈骨架相连接；以及

一磁场系统，该磁场系统具有一磁场间隙，所述音圈设置在该磁场间隙中。

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